发电厂给水泵变频调速解析

1液偶调速电动给水泵节能改造方案解析——之行星齿轮变矩调速器（VORECON）与变频器（VFD）谁更合适？广州智光节能有限公司电厂节能技术研究所自上世纪八十年代以来，国内100MW以上火力发电燃煤机组的锅炉如果配置电动给水泵，基本上都是采用液力偶合器（以下简称“液偶”）作为调速装置，给水泵组原理示意图见图1，液力偶合器原理图见图2。图1液力偶合器调速给水泵系统示意图图2液力偶合器示意图一、液力偶合器节能的空间液力偶合器能实现给水泵20％～100％转速范围内的无级调速，相比在给水泵出口安装调节阀利用节流方式控制给水流量具有节能30％的效果，但随着科学技术的进步，更新型、更加节能调节设备的出现，突显了电动给水泵液力偶合器调速的节能潜力，主要表现在以下三个方面：1)根据液力偶合器的工作原理，伴随调速过程而产生滑差热损耗，以300MW等级机组为例，每台液力偶合器的工作油损耗热量在2000000kJ左右，折合功率损耗不少于250kW，一台机组要运行两台液力偶合器，一年损耗的电量超过300万度。2)给水泵电动机由于长期偏离最佳运行经济点而产生能量损耗。按国内火电机组设计规范，给水泵的设计点工况基本上是机组ECR工况的1.2倍，给水泵电动机的额定容量则根据给水泵设计点工况轴功率来确定，这决定了给水泵电动机的额定容量比机组ECR工况高出了20％。另一方面，因各机组供电负荷的不同，机组的年平均负荷可能在65％ECR～90％ECR之间，给水泵电动机经常在远离额定负荷的工况下运行，而电动机运行额定负荷下才有最高的效率。3)调节方式存在能量损耗。液力偶合器的调速方式为液力滑差间接调速，给水泵转速的变化不是由给水泵电动机直接产生，所以，泵与风机相似性原理的第三条“功率和转速的三次方成正比”对给水泵电动机的高效运行并不适用，在液力偶合器调速的方式下，给水泵电动机始终在恒速运转，损耗了一定的功率。二、选择合适的设备替换液力偶合器如果有针对性的消除以上三方面的损耗，就会节省给水泵组的能量消耗。那么，就要选2择合适的设备，对电动给水泵驱动和调节而言，“合适设备”的衡量标准无非是具备高效的能量传递，高品质的转速调节，高性价比的投资费用。本文主要对两种设备展开分析和讨论。一种是变频器（VFD），已经在国内大量应用有一段不短的时间了，但在给水泵节能改造项目中还算新兵。另外一种是近期由德国福伊特（VOITH）公司在我国推介的所谓新型的液力偶合型调速器——VORECON，宣传谓之“节能之星”。VORECON还没有很确切的中文名称，本文依据VORECON的结构原理和功能，暂且取名为“行星齿轮液力变矩调速器”似乎更贴切。三、VORECON是什么？简而言之，VORECON是一款“液压偶合变矩、行星齿轮传动”的调速装置，见图5。主要由行星变速齿轮＋液力变矩器有机组合而成，更直白点说，它的基本部件和原理与小轿车自动档变速箱大同小异，但往往细节决定了特性，除了把零件放大了号码，工作方式确有独到之处。其实，按照VOITH公司的说法，VORECON始用于1985年，算来也有三十年的历史了，而立之年的产品已经相对成熟，那在电厂中为什么一直没有得到广泛的应用呢？从下面的分析中不知能否看出些许端倪。图5行星齿轮液力变矩调速器原理示意图1.全动式行星齿轮先说行星齿轮，基本的行星齿轮包括3个活动部件1)齿圈2)行星齿轮架3)太阳轮普通的行星齿轮工作时要求将其中一个活动部件固定，通过对两个活动部件和一个固定部件不同的换位组合，能够完成减速、增速和固定速比传动等功能。VORECON的行星齿轮与众不同之处在于，三个活动部件在传递动力过程中都是运动的。3行星齿轮组的齿圈、行星齿轮和太阳轮相互啮合，齿圈由电动机带动定速旋转，通过行星齿轮自转传导动力驱动太阳轮，太阳轮输出轴连接给水泵，行星齿轮安装在行星齿轮架上围绕太阳轮同步公转，液力变矩器控制行星齿轮架输出的力矩也作用在行星齿轮上，所以，VOR－EKON的行星齿轮同时接受给水泵电动机（通过齿圈）和变矩器（行星架）的两股作用力，齿圈力矩与行星架力矩作用在行星齿轮上矢量相加，如果力矩为正太阳轮加速，力矩为负则太阳轮减速，力矩平衡时太阳轮输出基础转速。如此，实现了行星齿轮液力变矩器对给水泵的动力传输和转速调节。2.液力变矩器，它与液力偶合器同为液力偶合部件，都有泵轮、涡轮和工作油，也都存在着滑差，泵轮的转速与电动机同步，涡轮的转速是变化的。不同的是，液力变矩器的泵轮和涡轮中间比液力偶合器多了一圈可调叶片，从泵轮获得能量的工作油在变矩器中要先经过可调叶片后再喷射到涡轮上传递力矩，这样能够通过可调叶片改变涡轮的转动力矩和方向，涡轮连接着行星齿轮架，也就调节了行星齿轮架的矢量力矩。3.相比液力偶合器VORECON的节能效果根据VOITH公司的介绍，目前应用在给水泵上的VORECON，通过齿圈传递了75％的功率，25％的功率经液力变矩器传送。单从这点上看，VORECON相比液力偶合器肯定要节能。VORECON与液力偶合器效率对比实际值（100万千瓦机组，３×33%MCR）表1项目名称单位设计点工况TMCR工况THA工况75%THA工况主给水泵轴功率Kw1325611999105208488主给水泵转速rpm5475532351464683输出转速比%10097.294.085.5VORECON效率%95.0094.1093.7491.46普通液偶效率%93.1789.7985.9577.14效率差%1.834.327.7914.3244.VORECON与液力偶合器调速性能对比传递能量无疑是液力偶合器和VORECON的重要功能，但是，调节给水泵转速则是液力偶合器和VORECON不可或缺的。与液力偶合器相比，VORECON的调速能力又怎样呢？也是根据VOITH公司的公开资料，VORECON的调速范围是55％～100％，而液力偶合器的调速范围是20％～100％。假定给水泵的最高转速是6000rpm，液力偶合器可以从1200rpm起步，而VORECON启动就是3300rpm。这就意味着，以目前国内在运的给水泵组和系统，给水泵的最小流量阀和再循环管道如果不作全面的改动，VORECON几乎无法应用。道理很简单，为了保护给水泵，在给水泵出口设计有再循环管道和阀门，发电厂称再循环阀为“最小流量阀”，一般给水泵再循环管道最大容量按给水泵额定流量的25％左右配备，对应的给水泵转速在2500rpm左右，VORECON起步就是3300rpm，显然是太高了。影响最大的还是在机组低负荷运行时，比如液偶调速电动给水泵能在15％ECR工况下正常运行，而VORECON大概在低于40％ECR工况下就失去了给水流量的调节能力。当然，VOITH生产的VORECON有各种型号，其中也有宽调节范围的，由液力偶合器＋液力变矩器＋行星齿轮＋离合器复合组成，相当于一台完整的液力偶合器串联一台VOREKON。不过，能否选用这种宽范围调节的VORECON，决定因素不是技术，而是你口袋里的钱够不够。5.选择VORECON的花费我们还是根据目前VOITH公司提供给国内用户的VORECON继续进行分析。不可回避的是如果采用VORECON用于锅炉给水泵节能改造，需要多少钱？比如300MW机组，3台50％MCR的给水泵组，运行方式两用一备。据广东某电厂的资料，与5500kW给水泵电动机匹配的VORECON，每台1000万元人民币，改两台就是2000万，但这不是最终的项目总价，仅仅是VOREON的设备价格，还有因采用VORECON而产生的附加成本大概有以下几个方面。第一，因型号不同液力偶合器输入轴和输出轴的水平轴心距在400毫米（R16K400M）、512（R17K.2E）毫米不等，所以，目前给水泵组的电动机＋前置泵和给水泵不在一条轴线上。而VOREKON输入／输出轴同心，在一条轴线上，而且，VOREKON的长度与给水泵电动机差不多，宽度要比液偶宽许多，其垂直投影比给水泵电动机的面积还要大，比现有的液力偶合器大了至少2倍。如果改造，必须对给水泵组的基础动大手术进行处理，给水泵组的基础属重载基础，内里密布钢筋，深度一般在5～7米，这笔开销需要仔细核算，钢筋混凝土基础拆旧建新的工期也应慎重安排，机组A级检修工期是否够用还真不好说。第二，无论处理给水泵还是电动机（前置泵）的基础，都涉及到高压给水管路的改造，同样需要大笔费用的。第三，长期的维修费用并不低，厂家称VORECON的检修周期为8年，我们也相信VORECON的“德国品质”。但商品经济中，垄断性设备的商品价格就比广泛应用的设备价格要高很多，液偶用量已不算大，VORECON比液力偶合器更为稀少，结构比液力偶合器也复杂得多，设备单价超过液力偶合器的5倍，液力偶合器的检修周期是5年，VORECON的检修费用还会低过液偶吗？四、选用变频器1.变频器的特点随着电力电子技术的发展，近年来，高压变频器技术已经成熟，主要优点有：a)速度控制范围宽，1%～100%b)调节精度高，±0.5%c)整机效率97%，功率因数不低于0.95。2.液偶调速电动机给水泵变频改造方案广州智光节能公司设计的液偶调速电动机给水泵变频改造方案见图3和图4。51)方案说明有另文详述，本文所强调是将液力偶合器改为增速箱具备了节能的最大公约数，原因无他，拆除了液力偶合器的泵轮和涡轮，用新设计的齿型联轴器挠性连接小齿轮轴和输出轴，拆除液偶工作油系统及其附属冷油器，这些措施消除了液偶调速存在的第一项损耗。2)为给水泵电动机增配高压变频器，给水泵转速由液力偶合器调节改为电动机变频调节。能有效地抬升给水泵电动机的运行效率，消除了液偶调速存在的第二项损耗。3)取消液力偶合器并把液偶改成机械直连的增速箱以及给水泵电动机增配变频器直接调速，这两项技术改进措施把原来的液偶间接调速存在的第三项损耗也消除了。图3液力偶合器改增速箱给水泵变频调速方案图4液偶调速给水泵组变频改造总体方案示意图五、VORECON与变频器应用于液偶调速电动给水泵节能改造的比较1.改造项目投资1)变频器以300MW等级的机组为例，对3台锅炉给水泵组中的两台进行节能改造，根据智光节能公司已经完成的18台给水泵（电机5500kW）的决算价，项目（交钥匙工程，其中包含了提供2台变频器、新建变频器室、增配变频器的空水冷装置、工程安装、DCS增加测点和组态、液力偶合器改为增速箱、给水前置泵的改造、增配前置泵电机、系统的试验和调试等）6平均造价为1000万（人民币，下同）左右。2)VOREKON同比计算，设备采购需要花费2000万，给水泵组基础、高压给水管道改造费用200万左右，冷油器、联轴器等附件200万左右。总价不低于2400万（根据目前现有的资料估算，如果有更确切的数据，以重新核算的结果为准）。3)点评变频器改造方案在投资方面绝对优与VOREKON。2.调速性能1)变频器变频器调速范围1～100％（完全满足给水泵转速变化20％～100％的要求），全程线性调节。2)VOREKON调速范围55％～100％，不能满足机组低负荷运行的调节要求。非线性调节。3)点评VORECON与液力偶合器相比，在调速性能方面已经缺少了35％的调节能力，这种能力的缺失一定会引发给水系统在工艺上更多的改造，继续增加投资费用，同时增加了运行操作的复杂性。变频器良好的调节性能提升了锅炉给水调节回路的调节品质。就发电厂锅炉给水泵转速调节而论，VOREKON与变频器根本不在一个档次上，严格地讲，不是调节好与不好的品质比较、而是调节行与不行的性能区别。VOREKON用于发电厂锅炉给水泵转速调节太过勉强。3.长期检修和维护费用1)变频方案变频器是电力电子设备，只要依照电子设备的标准给VFD提供运行环境，实践证明，变频器的日常维护也只需例行检查、定期打扫机柜表面灰尘、清洁滤网而已，长期检修随机组大修即可。变频器相对薄弱的元件是电容器，一般的电容器工作寿命是8年，质量好的金属膜电容能达到15年。单元体的寿命都在15年以上。这些电子元器件都是随机更换的，所以电子元器件的长期检修费用应该按平摊费用计算，当前变频